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Avis d'expert

Quand les robots tirent les ficelles

La rédaction

Les robots parallèles à câbles restent encore très méconnus. Ces équipements hybrides ont pourtant tout pour séduire l’industrie. Capables de transporter de lourdes charges sur de grandes distances, ils pourraient également effectuer des tâches exigeant vitesse et précision.

Transporter de lourdes charges sur de grands espaces de travail met à rude épreuve les robots industriels classiques. Le KR 1000 titan de Kuka, l’un des plus gros, offre un volume de travail de 50 m3 avec une portée de 3 m pour une charge de 1 000 kg. Difficile d’aller vers des volumes plus importants ou des charges plus élevées, car l’architecture mécanique de ces équipements est telle que l’augmentation de la charge ne peut se faire qu’au détriment de l’espace atteignable et de la précision du robot.

Ces limites expliquent le recours à des ponts convoyeurs ou des grues. Mais ceux-ci n’effectuent que des translations et ne peuvent pas changer l’orientation de la charge. De plus, ils offrent une précision de positionnement approximative, sont lourds à installer et peu modulaires. Or les besoins en levage ne concernent pas seulement l’industrie, mais également le transfert de personnes fragiles, les interventions de dégagement après un accident de la route ou un tremblement de terre.

Les robots parallèles peuvent manipuler précisément de lourdes charges. Ils sont constitués d’un organe mobile relié à une base fixe par plusieurs chaînes mécaniques indépendantes, à l’instar de la plate-forme de Gough Stewart (fig. 1). La plate-forme mobile est elle-même reliée à une base par six jambes rotulées aux deux extrémités, chacune disposant d’un actionneur linéaire pour ajuster leur longueur. Un tel dispositif est aujourd’hui couramment employé dans les simulateurs de vol. Il permet de translater et d’orienter la plate-forme en changeant simplement la longueur des jambes.

La répartition de la charge sur les jambes et le fait que celles-ci soient principalement sollicitées en compression-traction (évitant une trop grande déformation) permettent de manipuler des charges très importantes avec précision. Les robots parallèles sont également très rapides, comme le Flexpicker d’ABB qui peut atteindre des temps de cycle de 0,3 seconde pour réaliser des tâches de packaging. Ils ont cependant un inconvénient : ils agissent dans un espace atteignable relativement faible, principalement en raison des courses limitées des actionneurs linéaires.

1. Principes - Aspects mécaniques

Pour surmonter cette contrainte, des précurseurs comme Landsberger, en 1985, et Albus, en 1992, ont proposé de remplacer les jambes rigides par des câbles, dont la longueur peut être modifiée à l’aide de treuils. D’où le nom de robots parallèles à câbles, ou cable-driven parallel robots. Dans le cas du modèle Robocrane (fig. 2), mis au point par Albus, une structure tubulaire est utilisée comme support, avec six treuils à ses extrémités. Les câbles sont renvoyés, au moyen de poulies situées sur la partie haute de l’armature tubulaire, vers les six points d’attache de la charge. En modifiant la longueur des câbles, les treuils permettent d’augmenter significativement l’espace atteignable. Cependant, l’utilisation de câbles n’est pas sans impact sur les mouvements des robots. Contrairement à une jambe rigide, un câble peut seulement tirer et non pousser. Ce type d’actionneur est unilatéral. Les robots parallèles à câbles se caractérisent par leur dépouillement mécanique. Ils possèdent très peu d’articulations par rapport aux robots industriels ou à leurs homologues à structure fixe. Le treuil constitue l’élément central. Les systèmes d’enroulement des câbles doivent satisfaire une exigence particulière. La mesure de la longueur des filins est en effet essentielle pour pouvoir commander la charge avec précision. Les treuils existants doivent donc être adaptés afin d’effectuer cette mesure. Celle-ci consiste à placer sur le tambour un guide en spirale dans lequel va se placer le câble. Celui-ci s’enroulant sur un diamètre constant, il est possible de déduire précisément la variation de sa longueur avec l’angle de rotation du tambour, mesuré par un codeur rotatif. La partie libre de la spirale doit cependant toujours être positionnée, idéalement, au fur et à mesure de l’enroulement (fig. 3). Toutefois, cette approche ne permet de mesurer que les variations de longueur par rapport à la valeur au démarrage du système, qui n’est pas connue. Il faut donc prévoir un dispositif d’initialisation, mais aussi s’assurer que le câble est toujours sous tension pour qu’il ne sorte pas de sa spirale (ce qui peut être problématique). L’utilisation d’un guide en spirale impose une seule couche de câble sur le tambour, limitant la longueur enroulable. Mais il est possible de concevoir un guidage avec un mouvement alternatif du guide, afin d’avoir plusieurs couches de câble. Cependant, à chaque nouvelle couche, le rayon du tambour est augmenté, ce qui accroît le couple exercé sur le moteur pour une tension de câble donnée.

Le second type d’actionnement, réservé aux robots rapides et plus coûteux, repose sur l’utilisation d’un actionneur linéaire dont les mouvements sont amplifiés par un multiplicateur à poulies (fig. 4). Un chariot mis en mouvement le long d’une tige actionne le multiplicateur du câble. La mesure de la position du chariot sur la tige permet d’obtenir la longueur du câble. La vitesse du câble peut également être facilement déterminée, car elle correspond à la vitesse du chariot multipliée par le facteur d’amplification du multiplicateur à poulies.

2. Mise en œuvre - Structure et espace de travail

On distingue plusieurs types de robots parallèles à câbles, notamment en fonction de la position des points de sortie des treuils par rapport aux points d’attache des câbles sur la plate-forme. Les robots suspendus, où les points hauts des câbles sont toujours situés au-dessus des points d’attache, se différencient des robots pleinement contraints où, pour certains câbles, le point de sortie des treuils se trouve en dessous des points d’attache (fig. 5). Un robot parallèle à câbles suspendus permettra de déplacer la plate-forme selon un nombre de degrés de liberté défini, si tous les câbles sont tendus. Ainsi, un robot possédant au moins six câbles permettra d’obtenir à la fois des translations et des orientations de la plate-forme. Les robots parallèles à câbles pleinement contraints sont conçus pour maintenir la tension dans les câbles porteurs (ceux qui portent la charge) et éventuellement en modifier les valeurs.

Un autre élément important est la disposition des points d’attache des câbles à la plate-forme mobile, qui va conditionner certaines caractéristiques des robots parallèles à câbles. Si les câbles sont reliés au même point d’attache sur la plate-forme, le robot pourra effectuer des translations mais pas de changements de son orientation. L’espace de travail atteignable pour les translations horizontales va être approximativement inclus dans l’enveloppe convexe délimitée par les points de sortie des treuils, mais il sera très influencé par les rotations, qui sont relativement modestes[…]

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